基于NX CAE裝配有限元網格技術研究

潘自民 朱秋菊 閔康磊 李晟昊 曹旭民

(上海航天電子技術研究所，上海 201109)

0 引言

目前對于復雜裝配體的有限元建模，國內采用的方法是利用有限元軟件自身提供的參數化建模語言編寫相關文件。但對復雜的裝配體設計，一般需要在CAD設計平臺上進行三維結構設計，然后將模型導入CAE分析平臺進行多學科分析，最終形成幾輪迭代設計仿真優化結果[1]。文獻[1]介紹的裝配有限元網格建模技術需要借助CAD中裝配關系在CAE環境下進行二次開發，過程相對繁瑣，門檻較高，一般工程技術人員較難掌握；而在NX CAE(目前NX11.0及之后版本的仿真模塊為Simcenter 3D平臺)平臺進行裝配有限元網格技術，無需作CAE二次開發，只需基于各零、部件的CAD裝配關系將其各有限元網格模型映射到相應的空間位置即可，同時無論進行幾次迭代更改設計，在裝配有限元模型中，各零部件的位置和網格信息都能得到及時更新。

圖1 fem文件對應的模型樹

UG NX是一套集CAD/CAM/CAE一體化的工業軟件，它的功能覆蓋從概念設計到產品生產的整個過程。其中，它的CAE高級仿真模塊主要包含NX前、后處理和NX Nastran求解3個基本部分。隨著這幾年的迅速發展其分析和解算功能也越來越強，Nastran分析結果已成為航太等級工業CAE標準，獲得FAA認證[2]。

在有限元分析中，前處理網格劃分至關重要。網格質量的好壞直接關系到分析能否順利、快速地完成，也關系到能否得到高精度的計算結果[3]。在一個復雜裝配模型的有限元分析中，前處理往往要占去整個分析過程60%～80%的時間。如何能夠將這部分時間縮短到最少，對整個分析計算過程效率的提高至關重要。本文主要介紹在NX CAE平臺裝配有限元技術創建有限元模型一般過程，同時給出一工程實例演示創建有限元網格模型。

1 NX有限元模型文件介紹

NX CAE平臺中的一類常用有限元模型文件就是.fem文件，它包括有限元FEM文件、理想化部件文件和主模型部件。同時還會產生相應的所有多邊形幾何體(取決于理想化部件體的分割數量)和坐標系，詳見圖1所示。

主模型部件(.prt)是創建的最原始的三維幾何模型文件；FEM文件(.fem)是有限元模型文件，其包含劃分的有限元網格、材料參數、物理屬性等信息；理想化部件(_i.prt)是劃分有限元網格的母板模型，其對應的原始模型部件就是主模型部件，在理性化部件上可以做任何形式的幾何簡化，而此簡化對原始的主模型部件(.prt)無任何影響，但它可以直接反饋到有限元模型文件中的幾何體部分，通過“更新”有限元模型可以將最新的更改設計映射到有限元模型中，從而保證所做的有限元分析是最新拓撲結構的仿真分析。上述不同文件類型包含著不同的信息，而這種分類對相關模型數據庫的管理是很有好處的，詳見圖1所示。

NX CAE中另一類有限元文件是裝配FEM文件(.afm)，它的下一層文件類型可以是子裝配文件(.afm)，也可以是零、部件FEM文件(.fem)。

裝配 FEM(.afm)文件具有支持裝配體有限元網格建模的強大工作流程，以創建分析大型裝配體模型文件。裝配有限元類似于CAD零、部件的裝配，與部件裝配包含多個組件部件的事例和位置數據非常類似，裝配FEM也包含多個組件FEM的實例和位置數據。此外，裝配FEM還包含將組件FEM連結到系統中的連接單元(螺釘連接、鉚釘、焊點焊接等)，以及組件有限元網格中的材料和物理屬性替代操作等。

裝配FEM支持的兩個基本工作流程：

(1)關聯的。在此工作流程中，可將裝配FEM與部件在CAD中的現有裝配關系關聯起來，并將新的或現有的組件FEM映射到對應的組件部件位置。在更新裝配關系或其組件部件的幾何體更改時，其裝配FEM也會得到更新。可將關聯組件FEM和非關聯組件FEM組合在相同的裝配FEM中。同時，也可以將非關聯組件FEM添加到關聯裝配FEM模型中。

圖2 某星載功放結構裝配有限元模型及對應模型樹

(2)非關聯的。在此工作流程中，可以首先創建空的裝配FEM。然后添加組件FEM到裝配FEM中，最后，使用移動、旋轉組件定義組件FEM的位置和方位，類似與幾何裝配的創建，但由于此種方法存在非關聯性，零、部件的最新有限元網格模型有時會得不到及時的更新，性能評估計算容易出現差錯。

以上兩類工作流程強烈推薦使用關聯模式，它可以實時地將設計文件做的修改反饋到有限元模型中，從而保證計算的有限元分析模型對應的是最新的結構設計模型。

2 裝配有限元網格模型實例創建

本案例以某星載功放裝配體幾何模型為有限元網格裝配體創建對象，該功放主要包括電源模塊、功放負載模塊、若干支架、直波導、彎波導、軟波導、若干螺釘等。在零件網格劃分時，經常會在幾何體連接的部位產生大量的重復節點，導致有限元模型產生剛體位移，將無法進行正確的分析運算。所以，有必要在求解之前對有限元模型進行質量檢查[4]。

有限元模型網格若全部采用四面體自動劃分，將會產生大量的體網格且網格質量也較差，為了提高計算精度和計算效率，盡量全部采用高質量的六面體網格。此時，幾何體的簡化在理想化模型中就要頻繁地用到拆分體功能，若不選用裝配FEM文件(.afm)而是用常規的FEM文件(.fem)，在拆分幾何體劃分六面體網格過程中將會產生很多的多邊形幾何體，再對這些幾何體命名和管理時將會相當繁瑣且容易出錯；而采用裝配FEM文件(.afm)模式，可以對每一個零件生成一個FEM(.fem)文件，而且不同零件的網格劃分工作可以由不同的工程師來完成，可以充分發揮團隊合作的優勢。

當裝配體中的每一個零件完成有限元網格創建后，可以將每個零件對應的FEM(.fem)文件映射到零件在CAD裝配體中對應的位置。特別對于結構形狀完全相同的零件，可以對該拓撲結構件只劃分一次高質量的有限元網格，不同位置形狀相同的零件可以映射到裝配有限元模型中的相應位置，創建裝配體有限元網格模型。最后，根據各零部件之間的連接關系建立相應的有限元連接(如螺釘連接、MPC、面面接觸、面面粘接等)。圖2為生成的NX裝配有限元模型及裝配FEM模型樹。

采用裝配有限元技術使其有限元模型得以迅速地建立，但此時還不能用于有限元計算，需要將各零件的單元和節點序號重新排序，否則在模型檢查時會出現標簽沖突的錯誤。這時只需將裝配標簽管理器中自動解析功能點選一下，節點、單元、坐標系將自動重新排序，解除標簽沖突，詳見圖3所示。注意：如果存在子裝配文件，必須在子裝配文件中通過裝配標簽管理器解決該層的標簽沖突問題，此時，裝配有限元網格模型才算創建完畢。可以根據具體的分析任務要求建立相應類型的仿真文件(.sim)，施加邊界條件和載荷，同時也可以根據總體要求，生成適合Abaqus/MSC.Nastran/Ansys等求解器需要的相應有限元模型輸入文件，提交相應求解器計算，提取結果，進行后處理編寫相應分析報告，給出產品性能評估和改進的建議。

圖3 裝配有限元標簽管理器示意

3 結語

采用NXCAE裝配有限元技術完成了某星載功放裝配有限元建模及分析，可得出以下結論：

對于有限元軟件初學者，相比其它分析軟件NX高級仿真模塊更容易上手；

NXCAE平臺的前處理模塊將CAD建模、網格劃分、參數化等功能無縫整合，并支持其他CAD軟件的模型數據文件的導入且能夠運用同步建模功能進行隨機修改，為用戶提供了極大的便利；

對于大型復雜的裝配體模型，使用NXCAE裝配有限元技術可以快速完成有限元模型前處理，尤其是當裝配模型中出現許多相同形狀相同位置不同的零件時，該零件的有限元網格模型只需創建一次，裝配模型中不同位置的該零件只需映射同一有限元模型即可；

隨著型號研制任務的繁多，結構復雜程度的加大，仿真分析周期的縮短，NXCAE裝配有限元技術將會發揮越來越大的作用。